Etude d`une installation de climatisation solaire.

Etude d’une installation de climatisation solaire.
Ahmed BELLAGI, Radhouane BEN JEMAA *
1
Unité de Recherche en Thermique et Thermodynamique des Procédés Industriels, Ecole Nationale
d’Ingénieurs de Monastir, Tunisie
*
(auteur correspondant : [email protected])
Résumé - La climatisation de la plupart des bâtiments est assurée par des machines frigorifiques à
compression, ce qui va clairement à l’opposé d’objectifs d’économie d’énergie et de protection de
l’environnement. Nous proposons l’étude d’une installation de climatisation solaire : couplage
capteurs solaires thermiques et machine frigorifique à absorption. Nous cherchons, pour une puissance
frigorifique donnée, la surface du champ de capteurs nécessaire en fonction du taux de couverture
solaire, pour le climat tunisien.
Nomenclature
A
surface des capteurs, m2
B
facteur optique
Bener besoins énergétiques nécessaires, kWh.j-1
E
énergie solaire utile, kWh.j-1
Hj
rayonnement solaire global reçu dans le
plan des capteurs, kWh.m-2.j-1
K
coefficient de déperditions global du
capteur, W.m-2.K-1
K’
coefficient de déperditions global du
capteur de second ordre, W.m-2.K-2
N
nombre de capteurs
Pgen puissance apportée au générateur, kW
Ta
température
ambiante
dans
l’environnement du capteur, °C
Tm
température moyenne du capteur, °C
tj
temps de fonctionnement journalier, h
TS
taux de couverture solaire
W
puissance de l’irradiation solaire
mesurée dans le plan du capteur, W.m-2
Symboles grecs
η
rendement d’un capteur
ηdis rendement de distribution
1. Introduction
La Tunisie connaît une demande de confort thermique de plus en plus exigeante de la part
du citoyen. Cette demande de confort thermique nécessite en particulier des installations de
chauffage et de climatisation très énergivores. En plus, en été, la charge électrique maximale
annuelle de pointe est souvent enregistrée dans la matinée, plus précisément vers midi.
La croissance de cette demande, en particulier dans les régions chaudes, imposent de
s’orienter vers de nouvelles solutions. De ce fait le rafraîchissement solaire de bâtiments est
une des solutions les plus attractives à l’heure actuelle. Contrairement aux autres applications
solaires telles que l’eau chaude, la demande en climatisation est en adéquation avec la période
où le rayonnement solaire est le plus intense [1]. Le climat tunisien favorise l’utilisation de
ces systèmes puisqu’il dispose d’un bon gisement solaire.
Il existe de multiples configurations possibles d’installations solaires de rafraîchissement
de locaux. Les deux systèmes couplage capteurs solaires thermiques et machine frigorifique à
sorption (absorption ou adsorption), et couplage capteurs solaires thermiques à un système de
conditionnement d’air par rafraichissement évaporatif (DEC) ont fait l’objet de réels travaux
de développement et d’opérations de démonstration de taille significative [2].
Le système dont nous proposons l’étude, est un couplage de capteurs solaires à tubes sous
vides et une machine frigorifique à absorption.
2. Description du système de climatisation
Le système solaire à absorption est composé des éléments suivants :
-
Un champ de capteurs solaires à tubes sous vide,
-
Un ballon de stockage d’eau chaude à appoint hydraulique intégré,
-
Une machine frigorifique à absorption,
-
Un système de régulation.
2.1. Capteur solaire
Pour caractériser les performances d’un capteur, on effectue des essais normalisés selon la
norme NF EN 12975-2 et l’équation du rendement d’un capteur est [3]:
η = B−K
(Tm − Ta )
(T − T ) 2
− K' m a
W
W
(1)
Avec :
Tm: la température moyenne du capteur (en première approche la moyenne entre la
température d’entrée et la température de sortie du capteur en °C),
Ta : la température ambiante dans l’environnement du capteur (en °C),
W
: la puissance de l’irradiation solaire mesurée dans le plan du capteur (en W.m-2).
Dans la pratique, le coefficient K’ étant très faible, il est souvent négligé et un capteur
solaire est caractérisé par les coefficients B et K.
Le capteur utilisé dans cette étude est de surface 1,764 m2 et il possède les caractéristiques
suivantes [4]:
coefficients
B
K
K’
valeurs
0,779
2,103 W.m-2.K-1
0,0107 W.m-2.K-2
Tableau 1 : Caractéristiques du capteur
2.2. Machine frigorifique à absorption
La machine frigorifique est de marque Yazaki, de type WFC-SC 5. La puissance
frigorifique de cette machine est 17,6 kW et elle fonctionne avec le couple H2O/LiBr. La
figure 1 représente le schéma de principe de cette machine, le tableau 2 donne ses
caractéristiques techniques et la figure 2 donne les puissances échangées [5].
Figure 1 : Schéma de principe du refroidisseur WFC-SC5 (source : Yazaki)
Paramètres
Capacité de refroidissement
Eau glacée
Eau de
refroidissement
Chaleur
primaire
Entrée
Sortie
Débit nominal de l’eau
Chaleur restituée
Entrée
Température
Sortie
Chaleur entrante
Entrée
Température
Sortie
Entrée (plage)
Température
Débit nominal de l’eau
Unité
kW
°C
°C
m3/h
kW
°C
°C
kW
°C
°C
°C
l/s
m3/h
Valeur
17,6
12,5
7
2,77
42,7
31
35
25,1
88
83
70-95
1,2
4,32
Tableau 1 : Caractéristiques du refroidisseur WFC-SC5 (source : Yazaki)
Figure 2 : Puissances échangées dans le refroidisseur WFC-SC5 (source : Yazaki)
L’installation solaire doit fournir un débit de 4,2 m3/h d’eau avec un régime de
88/83°C.
3. Dimensionnement du champ des capteurs
L’énergie produite par les capteurs solaires s’exprime selon la formule [6]:
E =η A H j
(2)
Avec :
E : énergie solaire utile ou apport solaire (kWh.j-1),
η : rendement du capteur (voir équation 1),
Hj : rayonnement solaire global reçu dans le plan des capteurs (kWh.m-2.j-1),
A : surface des capteurs (m2).
La surface de capteurs théorique est calculée par l’équation :
A=
Bener
η Hj
Avec :
Bener : les besoins énergétiques nécessaires (kWh.j-1).
Les besoins énergétiques sont déterminés par l’équation :
(3)
Bener =
Pgen
η dis
tj
(4)
Avec :
Pgen : puissance nécessaire apportée au générateur de la machine frigorifique. Dans
notre cas sa valeur est 25,1 kW,
ηdis : rendement de distribution dans l’installation solaire (entre capteurs et générateur).
Nous avons pris un rendement de 90%,
tj : temps de fonctionnement journalier de la machine frigorifique (pris six heures
dans notre étude).
Le taux de couverture solaire est le rapport entre la quantité d’énergie fournie par le circuit
de capteurs et la quantité d’énergie totale demandée (les besoins énergétiques). Ce taux
représente donc la part fournie par le soleil dans la consommation totale.
En Tunisie, la saison de refroidissement inclut les mois de juin, juillet, août et septembre.
Les données météorologiques utilisées sont celles de la région RT4 : les plaines du sud-est,
qui regroupent les gouvernorats de Gabes et Médenine [7].
4. Résultats
En se basant sur les caractéristiques des équipements constituant le système de
climatisation et sur les données météorologiques, on peut déterminer la surface du champ de
capteurs en fonction du taux de couverture solaire choisi.
Les capteurs sous vide sont orientés au plein sud avec une inclinaison de 30°.
La figure 3 représente la variation du taux de couverture solaire pour les mois de la saison
de refroidissement (juin, juillet, août et septembre) en fonction du nombre de capteurs.
La figure 4 représente la variation du taux de couverture solaire de la saison en fonction du
nombre de capteurs.
Figure 3 : Variation du taux de couverture solaire mensuel en fonction du nombre de capteurs
Figure 4 : Variation du taux de couverture solaire en fonction du nombre des capteurs
5. Conclusion
Avec la climatisation solaire, il existe une parfaite adéquation entre le gisement solaire et
les besoins de rafraîchissement. C’est en effet au moment où l’irradiation solaire est maximale
que les besoins de froid sont les plus importants [6].
Dans ce travail nous avons dimensionné le champ de capteurs nécessaire pour alimenter
une machine frigorifique à absorption de puissance nominale 17,6 kW pour la climatisation
d’un ensemble de bureaux.
La surface du champ de capteur varie de 26,46 m2 pour un taux de couverture solaire de
62% à 42,336 m2 pour un taux de couverture solaire de 99%.
Grace à cette étude, nous connaissons le nombre de capteurs à mettre en œuvre pour
obtenir la climatisation recherchée. A présent, il faut comparer le coût de leur mise en œuvre
(coût des capteurs, mise en place, coût de fonctionnement, maintenance…) par rapport aux
coûts liés aux autres dispositifs possibles.
Références
[1] J. P. Parene, F. Garde, F. Lucas, Simulation et optimisation d’un système de rafraîchissement
solaire par absorption couplé à un bâtiment, IBPSA France 2006 a La Réunion, 2 et 3 Novembre
2006.
[2] Note de synthèse sur la climatisation solaire, Département Energies Renouvelables ADEME
France, (Juillet 2007).
[3] A. Joffre, Energie solaire thermique dans le bâtiment : chauffe-eau solaires, Techniques de
l’ingénieur, BE 9164
[4] Test report: KTB N°. 2006-27 : collector test according to EN 12975-1,2 : 2006, Fraunhofer –
Institut for solar energy systems ISE
[5] Spécifications refroidisseur à absorption indirecte WFC-SC5 version 9.1, Yazaki
[6] A. Joffre, Energie solaire thermique dans le bâtiment : chauffage-climatisation, Techniques de
l’ingénieur, BE 9165
[7] Règlementation thermique et énergétique des bâtiments neufs en Tunisie : Données climatiques
de base pour le dimensionnement des installations de chauffage et de refroidissement, ANME
Tunisie, (Janvier 2008).